Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы химических производств. Учебное пособие
.pdf
1) собственно ХП;
2) хранилища сырья, продуктов и других материалов;
3) транспортировка сырья, продуктов, промежуточных веществ, отходов;
4) обслуживающий персонал производственного подразделения;
5) система управления, обеспечения и безопасности.
Собственно ХП было рассмотрено выше. Ясно назначение хранилищ сырья,
продуктов и других материалов: при непрерывном производстве доставка сырья и
отгрузка продуктов происходит периодически. Нередко хранилища представляют
собой технически сложные сооружения. Например – аммиак (3000 т/сутки)
хранится в жидком виде (в газообразном состоянии его объем в 7 – 8 тысяч раз
больше) под давлением 1 – 2 МПа. Необходимо поддерживать определенную
температуру и отвод испаряющегося аммиака с его возвратом в хранилище.
Совокупность операций и процессов целенаправленной переработки сырья и
материалов в продукт – химико-технологический процесс (ХТП) .
Например, синтез аммиака из азота и водорода (при температуре 700 – 800 К
и давлении 30 МПа.) (1):
N2 + ЗН2 ↔ 2NH
3
(1)
Из-за обратимости реакции исходная азотоводородная смесь превращается
не полностью. Необходима физико-химическая стадия – конденсация – для
выделения образовавшегося аммиака. Непрореагировавшие азот и водород
возвращаются в реактор. Для повышения давления, а также для циркуляции газов
необходимо их сжатие, являющееся механическим процессом. Нагрев и
охлаждение потоков, осуществляемые при этом – теплообменные процессы.
Совокупность указанных операций в их последовательности есть ХТП синтеза
аммиака.
По основному назначению отдельных процессов и операций выделяют:
Механические и гидромеханические процессы – перемещение материалов,
изменение их формы и размеров, сжатие и расширение, смешение и разделение
потоков. Все они протекают без изменения химического и фазового состава. Для
проведения этих процессов предназначены транспортеры, питатели, дробилки,
11
компрессоры, насосы, смесители, фильтры.
t
G
П
Теплообменные процессы – нагрев, охлаждение, изменение фазового
состояния, без изменения химического и фазового состава. Теплообменники,
кипятильники, конденсаторы, плавилки, сублиматоры.
Массообменные процессы – межфазный обмен, в результате которого
меняется компонентный состав контактирующих фаз без коренного изменения,
химического состава (растворение, кристаллизация, сушка, дистилляция,
ректификация, абсорбция, экстракция, десорбция, осуществляемые в
соответствующих аппаратах – сушилках, дистилляторах).
Химические процессы – коренное изменение химического состава в
химических реакторах.
Энергетические процессы – взаимное преобразование различных видов
энергии (тепловой, механической, электрической) в турбинах, генераторах,
моторах.
Процессы управления – получение и передача информации о состоянии
потоков и веществ (датчики, сигнальные и информационные системы, клапаны,
задвижки, вентили, системы автоматического регулирования).
Полезность и эффективность ХП определяется соответствующими
показателями.
Качество ХТП определяют технические показатели.
1. Производительность производства (мощность) (П) – количество
перерабатываемого сырья или количество получаемого продукта в единицу
времени:
(2)
где П – производительность;
G – количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за
время t.
Обычно производительность выражают в количестве продукта за 1 час или 1
сут., показывая максимальную возможность в непрерывном режиме. Учитывая
12
плановые остановки, для связи часовой или суточной производительности с
0
0
G
GG
X
K
стех
n
G
G
0
G
G
n
годовой, принимают, что производство работает 8000 часов или 330 сут. в году.
Значение П зависит от конкретного производства. Крупнотоннажные
производства серной кислоты – 360 – 500 тыс. т в год (1090 – 1500 т/сут), аммиака
– до 450 тыс. т в год (1360 т/сут). Установки первичной переработки нефти
потребляют до 2 млн. т сырья в год. В малотоннажных производствах (реактивы,
редкие металлы, продукты тонкого органического синтеза) производительность
составляет кг и даже г продукта в год.
2. Степень превращения /X/ – отношение количества исходного вещества,
превратившегося в продукт, к его введённому количеству:
(3)
где G0 – количество исходного вещества в начальный момент процесса,
GК – количество исходного вещества в конечный момент процесса.
3. Расходный коэффициент (К
) показывает количество затраченного сырья,
n
материалов или энергии на производство единицы продукта. Его размерность
очевидна: [кг сырья / т продукта], [м3 сырья / кг продукта], [кВт-ч / кг продукта].
Расходный коэффициент показывает затраты на производство но не отражает
эффективности использования расходуемых компонентов. Эффективность
определяется выходом продукта.
4. Выход продукта (η) – отношение количества полученного продукта к
теоретически возможному (стехиометрическому, или равновесному, в случае
обратимого процесса):
(4)
Выход может также определяться относительно количества исходного сырья
(5)
13
k
p
GG
G
S
0
П
ТКii
G
ЗkЗGЦ
С
5. Селективность (избирательность) процесса (S) – отношение количества
вещества, превратившегося в целевой продукт (Gp), к общему количеству
превращенного исходного вещества (Gn):
(6)
Эта величина, характеризующая сложные процессы, показывает, насколько
эффективно протекает процесс в нужном направлении:
Экономические показатели определяют экономическую эффективность
производства.
1. Себестоимость продукции (С) – суммарные затраты на получение единицы
продукта, складывающаяся из следующих расходов: затраты на сырье, энергию,
вспомогательные материалы, единовременные, капитальные затраты, затраты на
оплату труда работников. Себестоимость имеет денежное выражение. Общая
структура себестоимости С:
(7)
где Ц и G – цена и количество израсходованных сырья, энергии, материалов
на производство продукта;
GП – количество произведенного продукта,
З
– капитальные затраты,
к
k – коэффициент окупаемости капитальных затрат (в среднем для
химических производств k = 0,15 в расчете на годовую производительность Gn),
З
– оплата труда.
Т
2. Производительность труда – количество продукции, произведенной в
единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного работающего.
Эксплуатационные показатели характеризуют изменения, возникающие в
химико-технологическом процессе и производстве во время их эксплуатации:
1) надежность (зависит от качества используемого оборудования и
правильности его эксплуатации (среднее время функционирования между
14
отказами или общее время простоя);
Приход
кг % Расход
кг
%
Апатит (в т.ч. 28 %
P
2О5
)
10250
73,5
Фосфор
1000
7,2
Кокс (80 % С)
1330
9,5
Феррофосфор
282
2,0
Песок (95 % SiО2)
2370
17,0
СО и газы
3668
26,3
Шлак
9000
64,5
Итого
13950
100
Итого
13950
100
2) безопасность функционирования;
3) управляемость и регулируемость.
Социальные показатели определяют комфортность работы на данном
производстве и его влияние на окружающую среду:
1) безвредность обслуживания;
2) степень автоматизации и механизации;
3) экологическая безопасность.
1.2 Материальный и тепловой балансы
Основой для расчета количественных показателей эффективности
функционирования любого химического производства служат данные, получаемые
из уравнений материального и энергетического балансов [3,7].
Материальный баланс можно представить в виде уравнения, в левой части
которого суммируются массы всех участвующих в процессе производства видов
сырья и вспомогательных материалов, в правой – массы получаемых продуктов и
производственных потерь. Материальный баланс основан на законе сохранения
материи, его можно представить также в форме таблицы. В таблице 1 приведен
материальный баланс производства фосфора электротермическим
восстановлением фосфата кальция коксом (8):
Ca3(PО4)2 + 5С + SiО2 = Р2 + 5CО + 3CaОSiО2 (8)
Таблица 1 – Материальный баланс производства фосфора
Эффективность энергоиспользования можно оценить с помощью
энергетического баланса. Основой для его расчета служит закон сохранения
15
энергии. Частным случаем энергетического баланса является тепловой баланс.
Приход
кВт · ч % Расход
кВт · ч
%
Электроэнергия
18200
100
Тепло на
проведение реакции
8450
46,43
Потери со шлаком
5820
31,98
Потери с газами
540
2,96
Потери в атмосферу
3390
18,63
Итого
18200
100
Итого
18200
100
Тепловой баланс может быть представлен в форме таблицы (таблица 2).
Таблица 2 – Тепловой баланс производства фосфора
16
2 Химические производства
2.1 Производство серной кислоты
Серная кислота – один из многотоннажных продуктов химической
промышленности. Среди минеральных кислот серная кислота по объему
производства и потребления занимает первое место. Её применяют в различных
отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых
свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не
дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком
состоянии, в концентрированном виде пассивирует черные металлы. В тоже время
серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует
многочисленные устойчивые соли [1,2,4,5,8].
Сырьем для производства серной кислоты могут быть элементарная сера и
различные серосодержащие соединения, из которых можно получить оксид серы
(IV). В промышленности около 80 % серной кислоты получают из природной серы
и железного (серного) колчедана. Значительное место занимают отходящие газы
цветной металлургии, получаемые при обжиге сульфидов цветных металлов и,
содержащие диоксид серы. Некоторые производства используют как сырье
сероводород, образующийся при очистке серы в нефтепереработке. В общей схеме
сернокислотного производства существенное значение имеют две первые стадии –
подготовка сырья и его сжигание или обжиг. Их содержание и аппаратурное
оформление зависят от природы сырья.
2.1.1 Химическая и функциональная схемы производства серной кислоты
Химическая схема включает в себя несколько реакций:
1) обжиг серного колчедана 4FeS2 + 11О2 = 2Fe
2О3
+ 8SО
2
(9)
или серы S2 + 2О2 = 2SО2 (10)
2) окисление диоксида серы SО2 + 1/2О2 = SО3 (11)
3) абсорбция триоксида серы SO3 + Н2О = H2SО4 (12)
Исходные вещества (минеральное сырье) содержат примеси, и потому
17
функциональная схема включает в себя стадию очистки газа после обжига.
Функциональные схемы производства серной кислоты из серы
Функциональные схемы производства серной кислоты из серного колчедана
1 – обжиг серосодержащего сырья; 2 – очистка и промывка обжигового газа;
3 – окисление SO2; 4 – абсорбция SО3
Первая стадия – обжиг – специфична для каждого вида сырья, и далее она
будет рассмотрена для колчедана и серы как наиболее распространенных
исходных веществ. Стадии окисления и абсорбции, в основном, одинаковы в
разных способах получения серной кислоты. Последовательное рассмотрение
указанных стадий проведем с позиций принципиальных технологических,
аппаратурных и режимных решений.
2.1.2 Обжиг серосодержащего сырья
Обжиг железного колчедана (пирита) является сложным физико-химическим
процессом и включает в себя ряд последовательно или одновременно
протекающих реакций:
1) термическая диссоциация 2FeS2 = 2FeS + S2 (13)
2) газофазное горение серы S2 + 2О2 = 2SО2 (14)
3) горение пирротина 4FeS + 7О2 = 2Fe
Суммарная реакция: 4FeS2 + 11О2 = 2Fe
+ 4SО2 (15)
2О3
+ 8SО
2О3
2
(16)
18
При небольшом избытке или недостатке кислорода образуется смешанный
Рисунок 2 – Типы реакторов для обжига серосодержащего сырья в производстве
серной кислоты
оксид железа:
3FeS2 + 8О2 = Fe
+ 6SО2 (17)
3О4
Термическое разложение пирита начинается при температурах около 200 °С
с одновременным воспламенением сера. При температурах выше 680 °С
интенсивно протекают все три реакции. В промышленности обжиг ведут при 850 –
900 °С. Лимитирующей стадией процесса становится массоперенос продуктов
разложения в газовую фазу и окислителя к месту реакции. При этих же
температурах твердый компонент размягчается, что способствует слипанию его
частиц. Эти факторы определили способ проведения процесса и тип реактора.
В производстве серной кислоты изначально использовали полочный реактор
(а) (рисунок 2). Такой механический реактор обеспечивает интенсивность
процесса, измеряемую количеством колчедана, проходящего через единицу
сечения реактора, – не более 200 кг / (м2 · ч). В результате образуется обжиговый
газ с концентрацией SО2 8 – 9 %. Невозможность использования мелких частиц –
19
основное ограничение реактора.
Мелкие частицы можно перерабатывать в кипящем (псевдоожиженном)
слое, что реализуется в печах кипящего слоя (печах КС) (б) (рисунок 2).
Пылевидный колчедан подается через питатель в реактор. Воздух (окислитель)
подается снизу через распределительную решетку со скоростью, необходимой для
взвешивания твердых частиц. Их витание в слое предотвращает слипание и
способствует хорошему контакту их с газом, выравнивает температурное поле по
всему слою, обеспечивает подвижность твердого материала и его переток в
выходной патрубок для вывода продукта из реактора. В таком слое подвижных
частиц можно расположить теплообменные элементы. Коэффициент теплоотдачи
от псевдоожиженного слоя сравним с коэффициентом теплоотдачи от кипящей
жидкости, тем самым, обеспечены эффективный теплоотвод из зоны реакции,
управление температурным режимом процесса, использование тепла реакции.
Интенсивность процесса в печах КС повышается до 1000 кг / (м
2
·ч), а
концентрация SO2 в обжиговом газе достигает 13 – 15 %. Основной недостаток
печей КС – повышенная запыленность обжигового газа из-за механической эрозии
подвижных твердых частиц.
2.1.3 Промывка газа после обжига
При очистке обжигового (печного) газа из него удаляют пыль,
сернокислотный туман и вещества, являющиеся каталитическими ядами. В
обжиговом газе содержится до 300 г / м3 пыли, которая на стадии контактирования
снижает активность катализатора и засоряет аппаратуру, а также туман серной
кислоты. Кроме того, при обжиге колчедана одновременно с окислением
дисульфида железа окисляются содержащиеся в колчедане сульфиды других
металлов. При этом мышьяк и селен образуют газообразные оксиды As
и SeO2,
2O3
которые переходят в обжиговый газ и становятся каталитическими ядами для
контактных ванадиевых масс. Пыль и сернокислотный туман удаляют из
обжигового газа при общей чистке газа, которая включает в себя механическую
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]